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propulsor iónico

El propulsor iónico NSTAR de 2,3 kW desarrollado por la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de encendido en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (1999)...

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El propulsor iónico NSTAR  de 2,3 kW desarrollado por la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de encendido en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (1999).
Prueba del motor iónico NEXIS (2005)
Prototipo de motor de iones de xenón en fase de pruebas en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (2005).

Un propulsor iónico , motor iónico o propulsor de iones es un sistema de propulsión eléctrica utilizado en naves espaciales . Este tipo de propulsor crea una nube de iones positivos a partir de un gas neutro, ionizándolo para extraer electrones de sus átomos . Posteriormente, los iones se aceleran mediante electricidad para generar empuje . Los propulsores iónicos se clasifican en electrostáticos o electromagnéticos .

Los iones del propulsor electrostático son acelerados por la fuerza de Coulomb en la dirección del campo eléctrico . Los electrones almacenados temporalmente son reinyectados por un neutralizador en la nube de iones después de que esta haya pasado por la rejilla electrostática, de modo que el gas vuelve a ser neutro y puede dispersarse libremente en el espacio sin ninguna interacción eléctrica adicional con el propulsor.

Por el contrario, los iones de los propulsores electromagnéticos son acelerados por la fuerza de Lorentz para acelerar todas las especies (electrones libres, así como iones positivos y negativos) en la misma dirección, independientemente de su carga eléctrica , y se denominan específicamente motores de propulsión de plasma , donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración. [ 1 ] [ 2 ]

Los propulsores iónicos en funcionamiento suelen consumir entre 1 y 7 kW de potencia , tienen velocidades de escape de alrededor de 20 a 50 km/s (12 a 30 mi/s, I sp 2000 a 5000 s) y poseen empujes de 25 a 250 mN y una eficiencia propulsora del 65 al 80 %; [ 3 ] [ 4 ] los propulsores iónicos experimentales han alcanzado 100 kW (130 hp) , 5 N (1,1 lb f ) . [ 5 ]         

La nave espacial Deep Space 1 de 1998 cambió su velocidad en 4,3 km/s (2,7 mi/s) con su propulsor iónico y consumió 73,4 kg (162 lb) de xenón . [ 6 ] La nave espacial Dawn de 2007 logró un cambio de velocidad de 11,5 km/s (7,1 mi/s) , aunque con menor eficiencia, habiendo consumido 425 kg (937 lb) de xenón. [ 7 ]        

Las aplicaciones incluyen el control de la orientación y posición de satélites en órbita (algunos satélites tienen docenas de propulsores iónicos de baja potencia), su uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de baja masa (como Deep Space 1 y Dawn ), [ 3 ] [ 4 ] y como propulsores para naves espaciales tripuladas y estaciones espaciales (por ejemplo, Tiangong ). [ 8 ]

Los motores de empuje iónico generalmente solo son prácticos en el vacío del espacio, ya que el minúsculo empuje del motor no puede superar ninguna resistencia del aire significativa sin cambios de diseño radicales, como se puede encontrar en el concepto de " Propulsión Eléctrica de Respiración Atmosférica ". El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha creado diseños que pueden volar distancias cortas y a bajas velocidades a nivel del suelo, utilizando materiales ultraligeros y perfiles aerodinámicos de baja resistencia. Un motor iónico generalmente no puede generar empuje suficiente para lograr el despegue inicial de cualquier cuerpo celeste con gravedad superficial significativa . [ 9 ] Por estas razones, las naves espaciales deben depender de otros métodos, como cohetes químicos convencionales o tecnologías de lanzamiento sin cohetes, para alcanzar su órbita inicial .

Orígenes

nave espacial SERT-1

Konstantin Tsiolkovsky propuso por primera vez el concepto de propulsor iónico en 1911. [ 10 ] La técnica se recomendó para condiciones de casi vacío a gran altitud, pero se demostró el empuje con corrientes de aire ionizado a presión atmosférica. La idea reapareció en Wege zur Raumschiffahrt (1929; Caminos hacia el vuelo espacial ) de Hermann Oberth , [ 11 ] donde explicó sus ideas sobre el ahorro de masa de la propulsión eléctrica, predijo su uso en la propulsión de naves espaciales y el control de actitud , y abogó por la aceleración electrostática de gases cargados. [ 12 ]

El concepto de una nave espacial con propulsor iónico se popularizó por primera vez en un relato de ciencia ficción del estadounidense Jack Williamson en 1947. [ 13 ] Posteriormente se convirtió en un elemento básico de las historias de ciencia ficción del género.

En 1959 , Harold R. Kaufman construyó un propulsor iónico funcional en las instalaciones del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Era similar a un propulsor iónico electrostático de rejilla y utilizaba mercurio como propulsor. Se realizaron pruebas suborbitales durante la década de 1960 y en 1964, y el motor fue enviado a un vuelo suborbital a bordo del Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). [ 14 ] [ 15 ] Funcionó con éxito durante los 31 minutos previstos antes de caer a la Tierra. [ 16 ] A esta prueba le siguió una prueba orbital, SERT-2, en 1970. [ 17 ] [ 18 ]

El 12 de octubre de 1964, Voskhod 1 realizó pruebas con propulsores iónicos que habían sido acoplados al exterior de la nave espacial. [ 19 ]

Una forma alternativa de propulsión eléctrica, el propulsor de efecto Hall , fue estudiada de forma independiente en Estados Unidos y la Unión Soviética en las décadas de 1950 y 1960. Los propulsores de efecto Hall operaron en satélites soviéticos desde 1972 hasta finales de la década de 1990, principalmente para la estabilización de satélites en las direcciones norte-sur y este-oeste. Entre 100 y 200 motores completaron misiones en satélites soviéticos y rusos . [ 20 ] El diseño del propulsor soviético se introdujo en Occidente en 1992 después de que un equipo de especialistas en propulsión eléctrica, con el apoyo de la Organización de Defensa contra Misiles Balísticos , visitara laboratorios soviéticos.

Principio general de funcionamiento

Los propulsores iónicos utilizan haces de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) para generar empuje , de acuerdo con la conservación del momento . El método de aceleración de los iones varía, pero todos los diseños aprovechan la relación carga / masa de los iones. Esta relación implica que diferencias de potencial relativamente pequeñas pueden generar altas velocidades de escape. Esto reduce la cantidad de masa de reacción o propulsor necesaria, pero aumenta la potencia específica requerida en comparación con los cohetes químicos . Por lo tanto, los propulsores iónicos pueden alcanzar altos impulsos específicos . La desventaja del bajo empuje es la baja aceleración, ya que la masa de la unidad de potencia eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de potencia. Este bajo empuje hace que los propulsores iónicos no sean adecuados para lanzar naves espaciales a órbita, pero sí eficaces para la propulsión en el espacio durante períodos prolongados.

Los propulsores iónicos se clasifican en electrostáticos o electromagnéticos . La principal diferencia radica en el método de aceleración de los iones:

  • Los propulsores iónicos electrostáticos utilizan la fuerza de Coulomb y aceleran los iones en la dirección del campo eléctrico.
  • Los propulsores iónicos electromagnéticos utilizan la fuerza de Lorentz para acelerar los iones en la dirección perpendicular al campo eléctrico.

La energía eléctrica para los propulsores iónicos generalmente se suministra mediante paneles solares . Sin embargo, para distancias suficientemente grandes del sol, se puede utilizar energía nuclear . En ambos casos, la masa de la fuente de alimentación es proporcional a la potencia máxima que se puede suministrar, y ambas proporcionan, para esta aplicación, prácticamente ninguna limitación en cuanto a la energía. [ 21 ]

Los propulsores eléctricos tienden a producir poco empuje, lo que resulta en una baja aceleración. Definición1gramo=9.81metro/s2{\displaystyle 1g=9,81\;\mathrm {m/s^{2}} }, la aceleración gravitacional estándar de la Tierra , y observando queF=metroa⟹a=F/metro{\displaystyle F=ma\implies a=F/m}Esto se puede analizar. Un propulsor NSTAR que produce una fuerza de empuje de 92  mN [ 22 ] acelerará un satélite con una masa de 1 tonelada a 0,092 N / 1000 kg = 9,2 × 10⁻⁵ m/s² ( o 9,38 × 10⁻⁶ g ) . Sin embargo, esta aceleración puede mantenerse durante meses o años, a diferencia de las combustiónes muy cortas de los cohetes químicos.     

F=2ηPAGgramoIsp{\displaystyle F=2{\frac {\eta P}{gI_{\text{sp}}}}} Dónde:

  • F es la fuerza de empuje en N,
  • η es la eficiencia
  • P es la potencia eléctrica utilizada por el propulsor en W, y
  • I sp es el impulso específico en segundos.

El propulsor iónico no es el tipo más prometedor de propulsión eléctrica para naves espaciales , pero es el más exitoso en la práctica hasta la fecha. [ 4 ] Un motor iónico requeriría dos días para acelerar un automóvil a velocidad de autopista en el vacío. Las características técnicas, especialmente el empuje , son considerablemente inferiores a los prototipos descritos en la literatura. [ 3 ] [ 4 ] Las capacidades técnicas están limitadas por la carga espacial creada por los iones, que limita la densidad de empuje ‍ — la fuerza por área de sección transversal del motor. [ 4 ] Los propulsores iónicos crean niveles de empuje pequeños en comparación con los cohetes químicos convencionales (el empuje de Deep Space 1 es aproximadamente igual al peso de una hoja de papel, por ejemplo) [ 4 ] pero logran un alto impulso específico ‍ — también conocido como eficiencia de masa de propulsor ‍ — al acelerar el escape a alta velocidad. La potencia impartida al escape aumenta con el cuadrado de la velocidad de escape mientras que el aumento de empuje es lineal. Por el contrario, los cohetes químicos proporcionan un alto empuje, pero su impulso total está limitado por la pequeña cantidad de energía que se puede almacenar químicamente en los propelentes. [ 23 ] Dado el peso práctico de las fuentes de energía adecuadas, la aceleración de un propulsor iónico suele ser inferior a una milésima parte de la gravedad estándar . Sin embargo, dado que funcionan como motores eléctricos (o electrostáticos), convierten una mayor fracción de la potencia de entrada en potencia cinética de escape. Los cohetes químicos funcionan como motores térmicos , y el teorema de Carnot limita la velocidad de escape.

propulsores electrostáticos

propulsores iónicos electrostáticos en rejilla

Diagrama de cómo funciona un motor iónico electrostático de rejilla (tipo cúspide magnética multipolar).

El desarrollo de los propulsores iónicos electrostáticos de rejilla comenzó en la década de 1960 [ 24 ] y, desde entonces, se han utilizado para la propulsión de satélites comerciales [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] y misiones científicas. [ 28 ] [ 29 ] Su característica principal es que el proceso de ionización del propulsor está físicamente separado del proceso de aceleración de iones. [ 30 ]

El proceso de ionización tiene lugar en la cámara de descarga, donde, al bombardear el propulsor con electrones energéticos, la energía transferida expulsa los electrones de valencia de los átomos del gas propulsor. Estos electrones pueden ser suministrados por un filamento de cátodo caliente y acelerados mediante la diferencia de potencial hacia un ánodo. Alternativamente, los electrones pueden ser acelerados por un campo eléctrico inducido oscilante creado por un electroimán alterno, lo que da como resultado una descarga autosostenida sin cátodo (propulsor iónico de radiofrecuencia).

Los iones con carga positiva se extraen mediante un sistema compuesto por 2 o 3 rejillas de múltiples aberturas. Tras entrar en el sistema de rejillas cerca de la vaina de plasma, los iones se aceleran por la diferencia de potencial entre la primera y la segunda rejilla (denominadas rejilla de pantalla y rejilla aceleradora, respectivamente) hasta alcanzar una energía iónica final de (típicamente) 1-2  keV, lo que genera empuje.

Los propulsores iónicos emiten un haz de iones con carga positiva. Para evitar que la nave espacial acumule carga, se coloca otro cátodo cerca del motor para emitir electrones hacia el haz de iones, dejando el propulsor eléctricamente neutro. Esto impide que el haz de iones sea atraído (y regrese) a la nave espacial, lo que anularía el empuje. [ 16 ]

Investigación sobre propulsores iónicos electrostáticos en rejilla (pasado/presente):

propulsores de efecto Hall

Esquema de un propulsor de efecto Hall

Los propulsores de efecto Hall aceleran los iones mediante un potencial eléctrico entre un ánodo cilíndrico y un plasma cargado negativamente que forma el cátodo. La mayor parte del propulsor (normalmente xenón) se introduce cerca del ánodo, donde se ioniza y fluye hacia el cátodo; los iones se aceleran hacia él y a través de él, capturando electrones a su paso para neutralizar el haz y salir del propulsor a gran velocidad.

El ánodo se encuentra en un extremo de un tubo cilíndrico. En el centro hay una punta enrollada para generar un campo magnético radial entre ella y el tubo circundante. Los iones no se ven afectados en gran medida por el campo magnético, ya que son demasiado masivos. Sin embargo, los electrones producidos cerca del extremo de la punta para crear el cátodo quedan atrapados por el campo magnético y se mantienen en su lugar debido a su atracción hacia el ánodo. Algunos de los electrones descienden en espiral hacia el ánodo, circulando alrededor de la punta en una corriente de Hall . Al llegar al ánodo, impactan el propulsor sin carga y provocan su ionización, antes de finalmente alcanzar el ánodo y completar el circuito. [ 33 ]

propulsión eléctrica por emisión de campo

Los propulsores de propulsión eléctrica por emisión de campo (FEEP) pueden usar propelentes de cesio o indio . El diseño comprende un pequeño depósito de propelente que almacena el metal líquido, un tubo estrecho o un sistema de placas paralelas por donde fluye el líquido y un acelerador (un anillo o una abertura alargada en una placa metálica) aproximadamente un milímetro más allá del extremo del tubo. El cesio y el indio se utilizan debido a sus altos pesos atómicos, bajos potenciales de ionización y bajos puntos de fusión. Una vez que el metal líquido llega al final del tubo, un campo eléctrico aplicado entre el emisor y el acelerador hace que la superficie del líquido se deforme en una serie de cúspides sobresalientes, o conos de Taylor . Con un voltaje aplicado suficientemente alto, se extraen iones positivos de las puntas de los conos. [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] El campo eléctrico creado por el emisor y el acelerador acelera entonces los iones. Una fuente externa de electrones neutraliza el flujo de iones cargados positivamente para evitar la carga de la nave espacial.

propulsores electromagnéticos

propulsores inductivos pulsados

Los propulsores inductivos pulsados ​​(PIT) utilizan pulsos en lugar de empuje continuo y pueden funcionar a niveles de potencia del orden de megavatios (MW). Los PIT constan de una bobina grande que rodea un tubo cónico que emite el gas propulsor. El amoníaco es el gas más utilizado. Con cada pulso, se acumula una gran carga en un grupo de condensadores situados detrás de la bobina, la cual se libera. Esto crea una corriente que se mueve circularmente en la dirección jθ. Esta corriente genera un campo magnético en la dirección radial hacia afuera (Br), que a su vez crea una corriente en el gas liberado en la dirección opuesta a la corriente original. Esta corriente opuesta ioniza el amoníaco. Los iones con carga positiva se aceleran alejándose del motor debido a que el campo eléctrico jθ cruza el campo magnético Br, debido a la fuerza de Lorentz. [ 37 ]

propulsor magnetoplasmadinámico

Los propulsores magnetoplasmodinámicos (MPD) y los propulsores aceleradores de fuerza de Lorentz de litio (LiLFA) utilizan prácticamente el mismo principio. El propulsor LiLFA se basa en el propulsor MPD. Se puede utilizar hidrógeno , argón , amoníaco y nitrógeno como propulsor. En una configuración específica, el gas ambiente en órbita terrestre baja (LEO) puede utilizarse como propulsor. El gas entra en la cámara principal, donde se ioniza en plasma por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo . Este plasma conduce electricidad entre el ánodo y el cátodo, cerrando el circuito. Esta nueva corriente crea un campo magnético alrededor del cátodo, que interactúa con el campo eléctrico, acelerando así el plasma debido a la fuerza de Lorentz.

El propulsor LiLFA utiliza la misma idea general que el propulsor MPD, aunque con dos diferencias principales. En primer lugar, el LiLFA utiliza vapor de litio, que puede almacenarse en estado sólido. La otra diferencia radica en que el cátodo único se reemplaza por múltiples varillas de cátodo más pequeñas empaquetadas en un tubo hueco . Los cátodos MPD se corroen fácilmente debido al contacto constante con el plasma. En el propulsor LiLFA, el vapor de litio se inyecta en el cátodo hueco y no se ioniza a su forma de plasma ni corroe las varillas del cátodo hasta que sale del tubo. El plasma se acelera entonces mediante la misma fuerza de Lorentz . [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

En 2013, la empresa rusa Chemical Automatics Design Bureau realizó con éxito una prueba de banco de su motor MPD para viajes espaciales de larga distancia. [ 41 ]

propulsores de plasma sin electrodos

Los propulsores de plasma sin electrodos poseen dos características únicas: la eliminación de los electrodos del ánodo y el cátodo, y la capacidad de regular el flujo del motor. La eliminación de los electrodos evita la erosión, que limita la vida útil de otros motores iónicos. El gas neutro se ioniza primero mediante ondas electromagnéticas y luego se transfiere a otra cámara donde se acelera mediante un campo eléctrico y magnético oscilante, también conocido como fuerza ponderomotriz . Esta separación de las etapas de ionización y aceleración permite regular el flujo de propulsor, lo que a su vez modifica la magnitud del empuje y los valores del impulso específico. [ 42 ]

propulsores de doble capa Helicon

Un propulsor de doble capa helicoidal es un tipo de propulsor de plasma que expulsa gas ionizado a alta velocidad para generar empuje . En este diseño, el gas se inyecta en una cámara tubular (el tubo fuente ) con un extremo abierto. La alimentación de CA de radiofrecuencia (a 13,56 MHz en el prototipo) se acopla a una antena de forma especial que rodea la cámara. La onda electromagnética emitida por la antena provoca la ruptura del gas y la formación de plasma. La antena excita entonces una onda helicoidal en el plasma, que lo calienta aún más. El dispositivo tiene un campo magnético aproximadamente constante en el tubo fuente (suministrado por solenoides en el prototipo), pero el campo magnético diverge y disminuye rápidamente en magnitud a medida que se aleja de la región fuente, pudiendo considerarse como una especie de boquilla magnética . En funcionamiento, un límite bien definido separa el plasma de alta densidad dentro de la región fuente del plasma de baja densidad en el escape, lo que se asocia con un cambio brusco en el potencial eléctrico. Las propiedades del plasma cambian rápidamente a través de este límite, lo que se conoce como una doble capa eléctrica sin corriente . El potencial eléctrico es mucho mayor dentro de la región de origen que en la de escape, lo que contribuye a confinar la mayoría de los electrones y a acelerar los iones alejándolos de la región de origen. Suficientes electrones escapan de la región de origen para garantizar que el plasma en la región de escape sea neutro en general.

Cohete magnetoplasmático de impulso específico variable (VASIMR)

El cohete magnetoplasmático de impulso específico variable (VASIMR) propuesto funciona mediante ondas de radio para ionizar un propulsor y convertirlo en plasma, y ​​luego mediante un campo magnético para acelerar el plasma fuera de la parte posterior del motor del cohete y generar empuje. El VASIMR está siendo desarrollado actualmente por Ad Astra Rocket Company , con sede en Houston , Texas , con la ayuda de Nautel , con sede en Canadá , que produce los generadores de RF de 200 kW para la ionización del propulsor. Algunos de los componentes y experimentos de "disparos de plasma" se prueban en un laboratorio ubicado en Liberia, Costa Rica . Este proyecto está liderado por el ex astronauta de la NASA Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Se consideró la posibilidad de instalar un motor de prueba VASIMR de 200 kW en el exterior de la Estación Espacial Internacional , como parte del plan para probar el VASIMR en el espacio; sin embargo, los planes para esta prueba a bordo de la ISS fueron cancelados en 2015 por la NASA , y Ad Astra Rocket Company comenzó a considerar una prueba de vuelo libre del VASIMR. [ 43 ] Un motor previsto de 200 MW podría reducir la duración del vuelo de la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y a Marte de 7 meses a 39 días. [ 44 ]   

propulsores electrotérmicos de microondas

propulsor electrotérmico de microondas
Componentes del propulsor
Componentes del propulsor
Cámara de descarga
Cámara de descarga

Bajo una beca de investigación del Centro de Investigación Lewis de la NASA durante las décadas de 1980 y 1990, Martin C. Hawley y Jes Asmussen dirigieron un equipo de ingenieros en el desarrollo de un propulsor electrotérmico de microondas (MET). [ 45 ]

En la cámara de descarga, la energía de microondas (MW) fluye hacia el centro que contiene un alto nivel de iones (I), lo que provoca la ionización de las especies neutras en el propulsor gaseoso. Las especies excitadas fluyen hacia afuera (FES) a través de la región de baja concentración de iones (II) hacia una región neutra (III) donde los iones completan su recombinación , siendo reemplazados por el flujo de especies neutras (FNS) hacia el centro. Mientras tanto, la energía se pierde en las paredes de la cámara a través de la conducción y convección de calor (HCC), junto con la radiación (Rad). La energía restante absorbida por el propulsor gaseoso se convierte en empuje .

propulsor de radioisótopos

Se ha propuesto un sistema de propulsión teórico, basado en partículas alfa ( He 2+o 4 2 He 2+indicando un ion de helio con una carga +2) emitido desde un radioisótopo unidireccionalmente a través de un orificio en su cámara. Un cañón de electrones neutralizador produciría una pequeña cantidad de empuje con un alto impulso específico del orden de millones de segundos debido a la alta velocidad relativista de las partículas alfa. [ 46 ]

Una variante de este método utiliza una rejilla a base de grafito con un alto voltaje de CC estático para aumentar el empuje, ya que el grafito presenta una alta transparencia a las partículas alfa si se irradia con luz ultravioleta de onda corta a la longitud de onda adecuada desde un emisor de estado sólido. Además, permite el uso de fuentes de menor energía y mayor vida media, lo cual sería ventajoso para aplicaciones espaciales. También se ha sugerido el relleno con helio como una forma de aumentar el recorrido libre medio de los electrones.

Comparaciones

Vida

El bajo empuje de los propulsores iónicos requiere un funcionamiento continuo durante un tiempo prolongado para lograr el cambio de velocidad ( delta-v ) necesario para una misión específica. Los propulsores iónicos están diseñados para funcionar de forma continua durante periodos que van desde semanas hasta años.

La vida útil de los propulsores iónicos electrostáticos está limitada por varios procesos.

vida de propulsores en cuadrícula

En los diseños de rejilla electrostática, los iones de intercambio de carga producidos por los iones del haz con el flujo de gas neutro pueden acelerarse hacia la rejilla del acelerador, que tiene polarización negativa, y provocar su erosión. El fin de la vida útil se alcanza cuando la estructura de la rejilla falla o cuando los orificios en la rejilla se vuelven lo suficientemente grandes como para afectar sustancialmente la extracción de iones, por ejemplo, debido al reflujo de electrones. La erosión de la rejilla es inevitable y constituye el principal factor que limita su vida útil. Un diseño de rejilla y una selección de materiales adecuados permiten alcanzar una vida útil de 20 000 horas o más.

Una prueba del propulsor iónico electrostático NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) resultó en 30 472 horas (aproximadamente 3,5 años) de empuje continuo a máxima potencia. El examen posterior a la prueba indicó que el motor no se acercaba a fallar. [ 78 ] [ 3 ] [ 4 ] NSTAR operó durante años en Dawn .

El proyecto NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) operó de forma continua durante más de 48 000 horas. [ 79 ] La prueba se realizó en una cámara de vacío. A lo largo de la prueba, que duró más de cinco años y medio, el motor consumió aproximadamente 870 kilogramos de propelente de xenón. El impulso total generado requeriría más de 10 000 kilogramos de propelente de cohete convencional para una aplicación similar.

Vida útil del propulsor de efecto Hall

Los propulsores de efecto Hall sufren una fuerte erosión de la cámara de descarga cerámica por el impacto de iones energéticos: una prueba reportada en 2010 mostró una erosión de alrededor de 1  mm por cada cien horas de operación, aunque esto es inconsistente con las vidas útiles observadas en órbita de unos pocos miles de horas. [ 80 ]

Se espera que el Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica (AEPS) acumule alrededor de 5000 horas y el diseño apunta a lograr un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23 000 horas [ 81 ] y una vida útil completa de aproximadamente 50 000 horas. [ 82 ]

Propulsores

La energía de ionización representa un gran porcentaje de la energía necesaria para el funcionamiento de los propulsores iónicos. Por lo tanto, el propulsor ideal es fácil de ionizar y tiene una alta relación masa/energía de ionización. Además, el propulsor no debe erosionar el propulsor en gran medida, para permitir una larga vida útil, y no debe contaminar el vehículo. [ 83 ]

Muchos diseños utilizan gas xenón , ya que es fácil de ionizar, tiene un número atómico razonablemente alto, es inerte y causa poca erosión. Sin embargo, el xenón escasea a nivel mundial y es caro (aproximadamente 3000 dólares por kg en 2021). [ 84 ]

Algunos diseños antiguos de propulsores iónicos utilizaban mercurio como propelente. Sin embargo, el mercurio es tóxico, tiende a contaminar las naves espaciales y su dosificación precisa resulta difícil. Un prototipo comercial moderno podría estar utilizando mercurio con éxito [ 85 ]; sin embargo, el Convenio de Minamata sobre el Mercurio lo prohibió formalmente como propelente en 2022 [ 86 ] .

Entre 2018 y 2023, se utilizó kriptón para alimentar los propulsores de efecto Hall a bordo de los satélites de internet Starlink , en parte debido a su menor coste en comparación con el propulsor de xenón convencional . [ 87 ] Desde entonces, los minisatélites Starlink V2 han cambiado a propulsores de efecto Hall de argón , que proporcionan un impulso específico mayor. [ 88 ]

Otros propulsores, como el bismuto y el yodo , se muestran prometedores tanto para diseños sin rejilla, como los propulsores de efecto Hall, [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] como para propulsores iónicos con rejilla. [ 89 ]

El yodo se utilizó como propulsor por primera vez en el espacio, en el propulsor iónico de rejilla NPT30-I2 de ThrustMe , a bordo de la misión Beihangkongshi-1 lanzada en noviembre de 2020, [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ] con un extenso informe publicado un año después en la revista Nature . [ 93 ] El CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) utilizado en la misión Mars Array of Ionospheric Research Satellites Using the CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) también propone utilizar yodo sólido como propulsor para minimizar el volumen de almacenamiento. [ 73 ] [ 74 ]

En teoría, los motores VASIMR (y otros motores basados ​​en plasma) pueden utilizar prácticamente cualquier material como propulsor. Sin embargo, las pruebas demuestran que el propulsor más práctico es el argón , que es relativamente abundante y económico.

eficiencia energética

Gráfico de  la eficiencia propulsora instantánea y la eficiencia global de un vehículo que acelera desde el reposo, expresadas como porcentajes de la eficiencia del motor. Nótese que la máxima eficiencia del vehículo se alcanza aproximadamente a 1,6 veces la velocidad de los gases de escape. 

La eficiencia de un propulsor iónico es la energía cinética del chorro de escape emitido por segundo dividida por la potencia eléctrica suministrada al dispositivo.

La eficiencia energética general del sistema está determinada por la eficiencia propulsora , que depende de la velocidad del vehículo y de la velocidad de escape. Algunos propulsores pueden variar la velocidad de escape durante su funcionamiento, pero todos pueden diseñarse con diferentes velocidades de escape. En el extremo inferior del impulso específico, I sp , la eficiencia general disminuye debido a que la ionización consume un mayor porcentaje de energía, y en el extremo superior, la eficiencia propulsora se reduce.

Es posible calcular la eficiencia óptima y las velocidades de escape para cualquier misión determinada, con el fin de obtener un coste total mínimo.

Misiones

Los propulsores iónicos tienen numerosas aplicaciones de propulsión espacial. Las mejores aplicaciones aprovechan los largos intervalos entre misiones, cuando no se requiere un empuje significativo. Algunos ejemplos incluyen transferencias orbitales, ajustes de actitud , compensación de la resistencia aerodinámica en órbitas terrestres bajas , ajustes finos para misiones científicas y transporte de carga entre depósitos de propulsores , por ejemplo, de combustibles químicos. Los propulsores iónicos también se pueden utilizar en misiones interplanetarias y de espacio profundo, donde las tasas de aceleración no son cruciales. Se consideran la mejor solución para estas misiones, ya que requieren grandes cambios de velocidad, pero no una aceleración rápida. El empuje continuo durante largos periodos permite alcanzar altas velocidades consumiendo mucho menos propulsor que los cohetes químicos tradicionales.

Vehículos de demostración

SERT

Los sistemas de propulsión iónica fueron demostrados por primera vez en el espacio por las misiones SERT-1 y SERT-2A del Centro Lewis de la NASA (ahora Centro de Investigación Glenn) . [ 28 ] El vuelo suborbital de la misión SERT-1 se lanzó el 20 de julio de 1964 y demostró con éxito que la tecnología funcionaba como se había previsto en el espacio. Se trataba de propulsores iónicos electrostáticos que utilizaban mercurio y cesio como masa de reacción. La misión SERT-2A, lanzada el 4 de febrero de 1970, [ 17 ] [ 94 ] verificó el funcionamiento de dos motores iónicos de mercurio durante miles de horas de funcionamiento. [ 17 ]

misiones operacionales

Los propulsores iónicos se utilizan habitualmente para el mantenimiento de la posición en satélites de comunicaciones comerciales y militares en órbita geoestacionaria. La Unión Soviética fue pionera en este campo, utilizando propulsores de plasma estacionarios (SPT, por sus siglas en inglés) en satélites desde principios de la década de 1970.

Dos satélites geoestacionarios ( Artemis de la ESA en 2001-2003 [ 95 ] y AEHF-1 del ejército de Estados Unidos en 2010-2012 [ 96 ] ) utilizaron el propulsor iónico para cambiar de órbita tras el fallo del motor de propulsión química. Boeing [ 97 ] comenzó a utilizar propulsores iónicos para el mantenimiento de la posición en 1997 y planeó en 2013-2014 ofrecer una variante de su plataforma 702, sin motor químico y con propulsores iónicos para elevar la órbita; esto permite una masa de lanzamiento significativamente menor para una capacidad de satélite determinada. AEHF-2 utilizó un motor químico para elevar el perigeo a 16 330 km (10 150 millas) y procedió a la órbita geosíncrona mediante propulsión eléctrica. [ 98 ]  

En órbita terrestre

estación espacial de Tiangong

La estación espacial china Tiangong está equipada con propulsores iónicos. Su módulo central Tianhe es impulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores de efecto Hall, [ 99 ] que se utilizan para ajustar y mantener la órbita de la estación. El desarrollo de los propulsores de efecto Hall se considera un tema delicado en China, y los científicos "trabajan para mejorar la tecnología sin llamar la atención". Los propulsores de efecto Hall se crearon teniendo en cuenta la seguridad de las misiones tripuladas, con el fin de prevenir la erosión y los daños causados ​​por las partículas iónicas aceleradas. Se creó un campo magnético y un escudo cerámico especialmente diseñado para repeler las partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia China de Ciencias , el sistema de propulsión iónica utilizado en Tiangong ha funcionado continuamente durante 8240 horas sin fallos, lo que indica su idoneidad para la vida útil prevista de 15 años de la estación espacial china. [ 100 ] Este es el primer propulsor de efecto Hall del mundo en una misión tripulada. [ 8 ]

La constelación de satélites Starlink de SpaceX utiliza propulsores de efecto Hall alimentados por kriptón o argón para elevar la órbita, realizar maniobras y desorbitar al final de su uso. [ 101 ]

GOCE

El Explorador de Campo Gravitatorio y Circulación Oceánica en Estado Estacionario (GOCE) de la ESA fue lanzado el 16 de marzo de 2009. Utilizó propulsión iónica durante sus veinte meses de misión para contrarrestar la resistencia del aire que experimentó en su órbita baja (altitud de 255 kilómetros) antes de desorbitar intencionadamente el 11 de noviembre de 2013.

En el espacio profundo

Espacio profundo 1

La NASA desarrolló el motor iónico NSTAR para su uso en misiones científicas interplanetarias a partir de finales de la década de 1990. Fue probado en el espacio en la sonda espacial Deep Space 1 , lanzada en 1998. Este fue el primer uso de propulsión eléctrica como sistema de propulsión interplanetaria en una misión científica. [ 28 ] Con base en los criterios de diseño de la NASA, Hughes Research Labs desarrolló el Sistema de Propulsión Iónica de Xenón (XIPS) para realizar el mantenimiento de la posición en satélites geoestacionarios . [ 102 ] Hughes (EDD) fabricó el propulsor NSTAR utilizado en la nave espacial.

Hayabusa y Hayabusa2

La sonda espacial Hayabusa de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) fue lanzada en 2003 y se encontró con el asteroide 25143 Itokawa . Estaba propulsada por cuatro motores de iones de xenón, que utilizaban resonancia ciclotrónica de electrones de microondas para ionizar el propulsor y un material compuesto de carbono/carbono resistente a la erosión para su rejilla de aceleración. [ 103 ] Aunque los motores de iones de Hayabusa experimentaron dificultades técnicas, la reconfiguración en vuelo permitió reparar uno de los cuatro motores y que la misión regresara con éxito a la Tierra. [ 104 ]

Hayabusa2 , lanzada en 2014, se basó en Hayabusa. También utilizó propulsores iónicos. [ 105 ]

Inteligente 1

El satélite SMART-1 de la Agencia Espacial Europea fue lanzado en 2003 utilizando un propulsor Hall Snecma PPS-1350 -G para pasar de la órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) a la órbita lunar. Este satélite completó su misión el 3 de septiembre de 2006, mediante una colisión controlada en la superficie de la Luna , tras una desviación de su trayectoria que permitió a los científicos observar el cráter de 3 metros de diámetro que el impacto creó en la cara visible de la Luna.

Amanecer

Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres . Utilizó trespropulsores de iones de xenón heredados de Deep Space 1 (que se activaban uno a la vez). El sistema de propulsión iónica de Dawn es capaz de acelerar de 0 a 97 km/h (60 mph) en 4 días de funcionamiento continuo. [ 106 ] La misión finalizó el 1 de noviembre de 2018, cuando la nave espacial se quedó sin propulsor químico de hidracina para sus propulsores de control de actitud. [ 107 ]  

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder es una nave espacial de la ESA lanzada en 2015 para orbitar el punto L1 del sistema Sol-Tierra. No utiliza propulsores iónicos como sistema de propulsión principal, sino propulsores coloidales y FEEP para un control preciso de la actitud . El bajo empuje de estos dispositivos de propulsión permite desplazar la nave con precisión en incrementos de distancia. Se trata de una prueba para la misión LISA . La misión finalizó el 30 de diciembre de 2017.

BepiColombo

La misión BepiColombo de la ESA fue lanzada a Mercurio el 20 de octubre de 2018. [ 108 ] Utiliza propulsores iónicos en combinación con maniobras de giro para llegar a Mercurio, donde un cohete químico completará la inserción orbital.

Prueba de redirección de asteroides dobles

La misión DART ( Double Asteroid Redirection Test ) de la NASA se lanzó en 2021 y operó su propulsor de iones de xenón NEXT-C durante aproximadamente 1000 horas para alcanzar el asteroide objetivo el 28 de septiembre de 2022.

Psique

La nave espacial Psyche de la NASA fue lanzada en 2023 y está operando su propulsor de iones de xenón SPT-140 para llegar al asteroide 16 Psyche en agosto de 2029.

Tianwen-2

La misión Tianwen-2 de la CNSA fue lanzada en mayo de 2025, [ 109 ] para explorar el asteroide cercano a la Tierra coorbital 469219 Kamoʻoalewa y el asteroide activo 311P/PanSTARRS y recolectar muestras del regolito de Kamoʻoalewa. [ 110 ]

Misiones propuestas

GATO DE MARTE

La misión MARS-CAT (Mars Array of ionospheric Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster) es una misión conceptual con dos CubeSat 6U para estudiar la ionosfera de Marte. La misión investigaría su plasma y estructura magnética, incluyendo estructuras de plasma transitorias, estructura del campo magnético, actividad magnética y correlación con los impulsores del viento solar. [ 73 ] El propulsor CAT ahora se llama propulsor RF y es fabricado por Phase Four. [ 74 ]

misiones interestelares

Geoffrey A. Landis propuso utilizar un propulsor iónico alimentado por un láser espacial, junto con una vela solar, para impulsar una sonda interestelar. [ 111 ] [ 112 ]

misiones canceladas

Estación Espacial Internacional

A marzo de 2011 Se consideró un futuro lanzamiento de un propulsor electromagnético VASIMR VF-200 de 200 kW de Ad Astra para realizar pruebas en la Estación Espacial Internacional (EEI). [ 113 ] [ 114 ] Sin embargo, en 2015, la NASA canceló los planes para enviar el VF-200 a la EEI. Un portavoz de la NASA declaró que la EEI "no era una plataforma de demostración ideal para el nivel de rendimiento deseado de los motores". Ad Astra afirmó que las pruebas de un propulsor VASIMR en la EEI seguirían siendo una opción después de una futura demostración en el espacio. [ 43 ]

El VF-200 habría sido una versión de vuelo del VX-200 . [ 115 ] [ 116 ] Dado que la potencia disponible de la ISS es menor a 200  kW, el VASIMR de la ISS habría incluido un sistema de batería de carga lenta que permitiría pulsos de empuje de 15 minutos. La ISS orbita a una altitud relativamente baja y experimenta niveles bastante altos de resistencia atmosférica , lo que requiere impulsos de altitud periódicos ; un motor de alta eficiencia (alto impulso específico) para el mantenimiento de la estación sería valioso; teóricamente, el reimpulso del VASIMR podría reducir el costo del combustible de los actuales US$210 millones anuales a una vigésima parte. [ 113 ] En teoría, el VASIMR podría usar tan solo 300  kg de gas argón para el mantenimiento de la estación de la ISS en lugar de 7500  kg de combustible químico; la alta velocidad de escape (alto impulso específico ) lograría la misma aceleración con una menor cantidad de propulsor, en comparación con la propulsión química con su menor velocidad de escape que necesita más combustible. [ 117 ] El hidrógeno es generado por la ISS como un subproducto y es expulsado al espacio.

La NASA trabajó anteriormente en un  propulsor de efecto Hall de 50 kW para la ISS, pero el trabajo se detuvo en 2005. [ 117 ]

Puerta lunar

El Elemento de Potencia y Propulsión (PPE) es un módulo del Lunar Gateway que proporciona generación de energía y capacidad de propulsión. Su lanzamiento en un Falcon Heavy estaba previsto para no antes de 2027. [ 118 ] Probablemente habría utilizado el Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica  (AEPS) de 50 kW , en desarrollo en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y Aerojet Rocketdyne . [ 81 ] Sin embargo, la NASA decidió cancelar el Gateway en 2026 y, en su lugar, centró su atención en la construcción de una base en la superficie lunar , dejando el futuro del propulsor en la incertidumbre. [ 119 ]

  • La idea de un motor iónico apareció por primera vez en By Aeroplane to the Sun: Being the Adventures of a Daring Aviator and his Friends (1910) de Donald W. Horner. [ 120 ]
  • La propulsión iónica es la principal fuente de empuje de la nave espacial Kosmokrator en la película de ciencia ficción germano-polaca Der Schweigende Stern (1960). [ 121 ] Minuto 28:10.
  • En el episodio de Star Trek de 1968 " El cerebro de Spock ", Scotty se impresiona repetidamente por el uso que hace una civilización de la energía iónica. [ 122 ]
  • Las naves espaciales Imperial TIE Fighter de la franquicia Star Wars están propulsadas por dos motores iónicos, de ahí su nombre.
  • La propulsión iónica es utilizada por la nave espacial Hermes en la novela de Andy Weir, El marciano, para transportar tripulación entre la Tierra y Marte. [ 123 ]

Véase también

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Artículos

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  • "El dispositivo espacial definitivo: ¡El motor iónico de la NASA en directo!" The Daily Galaxy , 7 de julio de 2009.
  • Un prototipo experimental de motor iónico se exhibe en la exposición Aerospace Discovery del Museo del Aire de Florida .